Le PDGFR marque des populations mésenchymateuses et de péricytes distinctes dans le périoste avec des caractéristiques cellulaires qui se recouvrent

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Nouveaux progrès dans le domaine de la régénération osseuse : la découverte de sous-populations mésenchymateuses et péricytaires marquées par PDGFRβ dans le périoste — Analyse de « pdgfr marks distinct mesenchymal and pericyte populations within the periosteum with overlapping cellular features »

I. Contexte de la recherche et question scientifique

Le périoste, en tant que couche externe vasculaire du tissu osseux, est depuis longtemps considéré comme une réserve cellulaire cruciale dans la croissance et la réparation osseuse. Ces dernières années, la diversité des cellules souches/progénitrices mésenchymateuses (mesenchymal stem/progenitor cells, MSCs) du périoste et leur rôle dans la régénération osseuse ont suscité un large intérêt. Plusieurs études ont identifié divers marqueurs de surface pour les cellules progénitrices du périoste, tels que CD73, CD164, PDPN, PDGFRα (platelet-derived growth factor receptor alpha), récepteur de la leptine et Nestine, mais les différences et similitudes fonctionnelles, d’appartenance cellulaire et d’efficacité régénérative de ces marqueurs restent incertaines.

Les cellules associées aux vaisseaux sanguins, en particulier les péricytes des microvaisseaux, ont également démontré leur potentiel de différenciation multiple et jouent un rôle important dans la réparation osseuse. Des études ont montré que les péricytes CXCR4+ dérivés du périoste présentent une capacité ostéogénique supérieure à celle des péricytes issus d’autres tissus, et que la vascularisation est essentielle dans la réparation osseuse. Les publications existantes suggèrent également que la prolifération et la différenciation des péricytes périostés complètent le pool de cellules progénitrices ostéogéniques. Néanmoins, le chevauchement phénotypique, fonctionnel, la distinction des marqueurs et les rôles régénératifs respectifs des péricytes du périoste et des MSCs restent longtemps non clarifiés.

PDGFRβ (platelet-derived growth factor receptor β, récepteur β du facteur de croissance dérivé des plaquettes) est un marqueur de surface fréquent des cellules souches/progénitrices mésenchymateuses et des péricytes, impliqué dans la régulation de la prolifération, de la migration et de la survie cellulaires. Les études précédentes ont montré que les cellules PDGFRβ+ jouent un rôle clé dans la réparation des fractures et le maintien de l’homéostasie osseuse à travers leur potentiel ostéogénique significatif. Pourtant, combien de types cellulaires expriment PDGFRβ dans le périoste ? Ces cellules partagent-elles ou non des fonctions et caractéristiques moléculaires ? Ce sont précisément ces questions fondamentales que cette étude cherche à élucider.

II. Informations sur l’article et l’équipe d’auteurs

Cet article, intitulé « pdgfr marks distinct mesenchymal and pericyte populations within the periosteum with overlapping cellular features », est une étude fondamentale originale. Les principaux auteurs incluent Ziyi Wang, Qizhi Qin, Neelima Thottappillil, Mario Gomez Salazar, Masnsen Cherief, Mary Archer, Deva Balaji et Aaron W. James, tous du Department of Pathology de la Johns Hopkins University. L’article a été publié le 16 avril 2025 dans la revue « Stem Cells » de l’Oxford University Press (2025, vol.43, sxaf020).

III. Conception de la recherche et approche technologique

1. Objet de l’étude et conception globale

L’étude se concentre sur le périoste des os longs de souris, en intégrant l’analyse scRNA-seq (single-cell RNA sequencing), des modèles de souris transgéniques (Pdgfrβ-CreERT2 ; mT/mG reporter mice), des analyses d’immunohistochimie, du tri cellulaire par cytométrie en flux, et des tests fonctionnels in vitro, afin d’analyser systématiquement la diversité et les caractéristiques fonctionnelles des sous-populations cellulaires périostées exprimant PDGFRβ.

Voici une description détaillée du processus principal de la recherche et de la validation des expériences :

2. Analyse transcriptomique unicellulaire

(1) Échantillonnage et préparation

  • L’étude a utilisé quatre souris mâles C57BL/6J de 16 semaines, isolé les cellules périostées du fémur et du tibia gauches, digérées enzymatiquement, puis préparé les bibliothèques unicellulaires sur la plateforme 10x Genomics, visant 10 000 cellules par échantillon à séquencer.
  • Les analyses de données étaient réalisées avec Cell Ranger et Seurat, filtrant rigoureusement les cellules de basse qualité (nombre de gènes >500 et <8000, <20% de transcrits mitochondriaux), normalisation SCTransform, réduction de dimension (UMAP) et enrichissement de voies à l’aide des bases de données KEGG.

(2) Principales analyses et découvertes

  • 4 042 transcrits monocellulaires ont été obtenus, révélant huit principaux clusters cellulaires comprenant des cellules mésenchymateuses, péricytaires, endothéliales, hématopoïétiques et immunitaires. PDGFRβ est largement distribué parmi les péricytes, mais exprimé à une fréquence de 30 %-76 % selon les sous-groupes mésenchymateux.
  • L’analyse détaillée des sous-clusters mésenchymateux M1-M5 montre une forte co-expression de PDGFRβ et de gènes associés à l’ostéogenèse (BGLAP, Spp1, Alpl, Ctsk).
  • L’analyse des voies GO et KEGG révèle que les cellules PDGFRβ+ sont enrichies en processus de prolifération, adhésion, ostéogenèse et chondrogenèse, avec implication des voies PI3K-AKT, JAK-STAT et MAPK, tandis que les cellules PDGFRβ- sont enrichies dans la différenciation adipocytaire et l’angiogenèse.

3. Localisation spatiale chez la souris transgénique à marquage fluorescent

À l’aide de souris Pdgfrβ-CreERT2 ; mT/mG, l’induction in vivo par le tamoxifène provoque la recombinaison Cre marquant les cellules PDGFRβ+ par l’EGFP (vert), les autres exprimant la tdTomato (rouge). Des coupes périostées sont marquées en immunofluorescence pour des marqueurs de péricytes (CD146), cellules endothéliales (Endomucin), MSC (PDGFRα), et de facteurs transcriptionnels ostéoblastiques (Runx2), pour analyse de la co-localisation.

Principaux résultats :

  • Les cellules PDGFRβ+ sont présentes tant dans les zones périvasculaires que non vasculaires du périoste et de la moelle osseuse, avec une forte concentration de signal EGFP dans la spongiosa primaire.
  • Dans les cellules CD146+ du périoste, 33% coexpriment PDGFRβ ; 47% des cellules endothéliales Endomucin+ expriment aussi PDGFRβ.
  • Une proportion élevée de cellules PDGFRα+ et Runx2+ exprime également PDGFRβ, indiquant que PDGFRβ recouvre diverses populations de cellules progénitrices fonctionnellement recoupées mais spatialement distinctes.

4. Tri cellulaire en flux et caractérisation fonctionnelle in vitro

(1) Tri et groupes

  • Après exclusion des cellules CD31+ (endothéliales), CD45+ (leucocytaires) et ter119+ (précurseurs érythroïdes), les cellules périostées sont divisées selon les signaux GFP et tdTomato en groupes PDGFRβ+ (7%) et PDGFRβ- (67%).

(2) Tests fonctionnels

  • Prolifération : Les PDGFRβ+ montrent un taux de prolifération (test MTS) supérieur de 60,8 % à 24 h et de 41,3 % à 48 h par rapport aux PDGFRβ-.
  • Migration : L’assay de migration par grattage révèle une vitesse 1,41 fois plus élevée pour les PDGFRβ+.
  • Différenciation ostéogénique : Après 21 jours d’induction, la coloration Alizarin Red S montre une ostéogenèse 2,14 fois supérieure chez les PDGFRβ+, accompagnée d’une surexpression des gènes ostéogéniques (Bglap, Sp7, Col1a1, Runx2).
  • Les gènes de « stemness » (Nes, Ly6a) et de péricytes (Mcam, Acta2) sont également exprimés à de hauts niveaux chez les PDGFRβ+.

5. Tri double marqueur et analyse de l’hétérogénéité fonctionnelle des sous-populations

Selon la fluorescence de CD146 et PDGFRβ, les cellules sont subdivisées en quatre sous-populations : PDGFRβ- CD146-, PDGFRβ- CD146+, PDGFRβ+ CD146-, PDGFRβ+ CD146+. Les profils d’expression génique, la prolifération, la formation clonale et le potentiel ostéogénique sont évalués pour chaque sous-groupe.

  • Le groupe PDGFRβ+ CD146+ possède la plus forte capacité de prolifération et de formation clonale, générant environ quatre fois plus d’unités clonales que le groupe PDGFRβ- CD146+, et 57,4 % de plus que le groupe PDGFRβ+ CD146- ; la superficie des clones est similaire entre les groupes PDGFRβ+ CD146- et PDGFRβ+ CD146+.
  • Ostéogenèse : Pas de différence notable entre PDGFRβ+ CD146- et PDGFRβ+ CD146+, mais ces deux populations surpassent nettement les sous-groupes CD146-.
  • Les marqueurs péricytaires classiques (cspg4, rgs5) sont significativement moins exprimés dans les PDGFRβ+ CD146- que dans les PDGFRβ+ CD146+.
  • Les résultats indiquent que PDGFRβ+ CD146+ représente un sous-type péricytaire très prolifératif et hautement ostéogénique.

IV. Conclusions clés et signification

En résumé, cette étude a démontré :

  1. L’existence de plusieurs sous-populations PDGFRβ+ dans le périoste de souris, comprenant les péricytes associés aux vaisseaux (principalement PDGFRβ+ CD146+) et des cellules mésenchymateuses non vasculaires (PDGFRβ+ CD146-), avec recoupements et distinctions moléculaires et fonctionnelles.
  2. Les cellules PDGFRβ+ présentent des caractéristiques marquées de cellules souches/progénitrices et de fortes capacités ostéogéniques, qu’elles expriment ou non CD146.
  3. Les péricytes PDGFRβ+ CD146+ constituent la sous-population la plus proliférante et la plus apte à former des clones, tandis que les cellules mésenchymateuses PDGFRβ+ CD146- montrent également une forte aptitude à la différenciation ostéogénique.
  4. Les populations PDGFRβ+ représentent d’excellentes sources cellulaires pour la régénération osseuse et l’ingénierie tissulaire, particulièrement prometteuses pour les applications cliniques nécessitant une réparation osseuse vascularisée.

V. Points forts et innovations de la recherche

  • Intégration systématique d’analyses omiques unicellulaires, de localisation spatiale et d’expérimentation fonctionnelle, révélant pour la première fois l’hétérogénéité multi-dimensionnelle (spatiale, moléculaire, fonctionnelle, phénotypique) des cellules PDGFRβ+ du périoste.
  • Usage de souris rapporteurs Pdgfrβ-CreERT2 ; mT/mG, combiné au tri cellulaire, permettant d’isoler et de caractériser avec une grande pureté les sous-populations progénitrices ostéogéniques.
  • Différenciation précise entre les péricytes PDGFRβ+ et les sous-types mésenchymateux pour leurs propriétés de « stemness », de prolifération et d’ostéogenèse, fournissant une base théorique solide pour l’application des cellules marquées PDGFRβ dans la régénération osseuse.

VI. Valeur scientifique et applications cliniques

Cette recherche établit une base importante pour l’étude de l’hétérogénéité cellulaire du périoste, la biologie des cellules souches et l’ingénierie tissulaire osseuse. Sur le plan clinique, les stratégies de régénération osseuse vascularisée basées sur les cellules PDGFRβ+ représentent des avancées directes pour la réparation des fractures, les pertes osseuses, les greffes et l’ingénierie tissulaire. En outre, la caractérisation fonctionnelle des différents sous-types de progéniteurs permet d’optimiser la base théorique et les méthodes pratiques de la thérapie cellulaire de régénération osseuse.

VII. Contributions de l’équipe et remerciements

Cette étude a pour premiers auteurs Ziyi Wang, Qizhi Qin, Neelima Thottappillil, et pour auteur correspondant Aaron W. James. Le projet a été financé par les NIH/NIAMS, NIH/NIDCR, la Maryland Stem Cell Research Foundation et d’autres organismes. Les auteurs remercient les plateformes de transcriptomique, cytométrie en flux et microscopie de la Johns Hopkins University pour leur soutien technique.

VIII. Ressources complémentaires et accès aux données

  • Les données originales de séquençage unicellulaire sont disponibles dans GEO (numéro : GSE272612).
  • Les lecteurs intéressés peuvent consulter les matériaux supplémentaires de l’article ou contacter l’auteur correspondant pour plus de détails expérimentaux.

IX. Conclusion

Cette étude intègre des technologies omiques et cellulaires de pointe pour clarifier l’hétérogénéité et les caractéristiques fonctionnelles des cellules PDGFRβ+ du périoste, fournissant une base théorique et un appui expérimental important pour la recherche fondamentale et translationnelle sur la régénération osseuse. Sa valeur scientifique et son potentiel applicatif méritent une attention continue dans les domaines de l’orthopédie, de la médecine régénérative et de la biologie des cellules souches.